FR2963504A1 - Double-excitation rotating electrical machine e.g. electric traction motor of electric vehicle, has excitation coils inserted in radial polar teeth, where width of polar teeth is in specific range - Google Patents
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Abstract
Description
MACHINE ELECTRIOUE TOURNANTE SYNCHRONE AVEC ROTOR A DOUBLE EXCITATION SYNCHRONOUS ROTOR ELECTRIC MACHINE WITH DOUBLE EXCITATION ROTOR
La présente invention concerne une machine électrique tournante synchrone comprenant un rotor muni d'aimants permanents et d'un bobinage d'excitation. Plus particulièrement, l'invention concerne une machine de ce type pour des applications comme générateur et/ou moteur électrique de traction dans des véhicules automobiles électriques et hybrides. De par leurs performances accrues en termes de rendement et de puissance massique et volumique, les machines synchrones à aimants permanents trouvent aujourd'hui une large application dans le domaine des véhicules automobiles. De plus, la disponibilité d'aimants permanents aux terres rares à grande échelle et à des conditions économiques acceptables rend viable le choix de ces machines électriques pour les nouvelles générations de véhicules automobiles. The present invention relates to a synchronous rotating electrical machine comprising a rotor provided with permanent magnets and an excitation winding. More particularly, the invention relates to a machine of this type for applications as a generator and / or electric traction motor in electric and hybrid motor vehicles. Due to their increased performances in terms of efficiency and mass and volume power, synchronous machines with permanent magnets are now widely used in the field of motor vehicles. In addition, the availability of large-scale rare earth permanent magnets and acceptable economic conditions makes the choice of these electric machines viable for new generations of motor vehicles.
Ces machines électriques sont réalisables dans une large gamme de puissance et de vitesse et trouvent des applications aussi bien dans les véhicules de type « tout électrique » que dans les véhicules à bas CO2 de types dits « mild-hybrid » et « full-hybrid » (en terminologie anglaise). Les applications « mild-hybrid » concernent généralement des machines électriques de l'ordre de 8 à 10 KW, par exemple, un moteur électrique monté en face avant d'un moteur thermique et couplé à celui-ci par une courroie de transmission. Il est possible avec un tel moteur électrique de réduire la cylindrée de la motorisation thermique (« engine downsizing » en terminologie anglaise) en prevoyant une assistance électrique en couple qui fournit un appoint de puissance notamment lors des reprises. De plus, une traction à These electric machines are achievable in a wide range of power and speed and find applications in both "all-electric" type vehicles and in low-carbon vehicles of so-called "mild-hybrid" and "full-hybrid" types. (in English terminology). "Mild-hybrid" applications generally concern electrical machines of the order of 8 to 10 KW, for example, an electric motor mounted on the front face of a heat engine and coupled thereto by a transmission belt. It is possible with such an electric motor to reduce the engine capacity of the engine ("engine downsizing" in English terminology) by providing electrical assistance in torque that provides extra power especially during rework. In addition, a traction
faible vitesse, par exemple en environnement urbain, peut également être assurée par ce même moteur électrique. Les applications de type « full-hybrid» concernent généralement des moteurs de 30 à 50 KW pour des architectures de type série et/ou parallèle avec un niveau d'intégration plus abouti du ou des moteurs électriques dans la chaîne de traction du véhicule. Cependant, les machines électriques à excitation uniquement par aimants permanents présentent des difficultés de défluxage. Hors, dans un véhicule automobile, lorsque la machine électrique est utilisée comme moteur de traction sur différentes missions de circulation du véhicule, celle-ci doit pouvoir fonctionner à des régimes de charge et de vitesse variables et doit donc être défluxable pour atteindre la zone des hautes vitesses. Les machines à double excitation sont plus facilement défluxable et offrent la possibilité de combiner dans leur rotor une densité d'énergie élevée apportée par les aimants permanents et une capacité à contrôler le flux magnétique dans l'entrefer apportée par la bobine d'excitation. Une structure intéressante de machine à double excitation est divulguée dans l'article de Li Li et al. intitulé «Some armature reaction compensation methods, numerical design of experiments and optimization for a hybrid excitation machine » et publié dans IEMDC, Miami, USA (2009). La présente invention propose des machines électriques tournantes synchrones à double excitation avec une topologie de rotor du type de celle divulguée dans l'article ci-dessus et dont la conception a été optimisée afin d'accroître les performances et l'intérêt de ces machines pour l'industrie automobile. low speed, for example in urban environment, can also be provided by the same electric motor. "Full-hybrid" type applications generally concern motors from 30 to 50 kW for series and / or parallel type architectures with a more advanced integration level of the electric motor or motors in the vehicle's power train. However, electric machines excited solely by permanent magnets have problems of defluxing. Except, in a motor vehicle, when the electric machine is used as a traction motor on various vehicle traffic missions, the latter must be able to operate at variable load and speed regimes and must therefore be defluxable to reach the area of the vehicle. high speeds. The double excitation machines are more easily defluxable and offer the possibility of combining in their rotor a high energy density provided by the permanent magnets and an ability to control the magnetic flux in the gap provided by the excitation coil. An interesting structure of double excitation machine is disclosed in the article by Li Li et al. entitled "Some frame reaction compensation methods, numerical design of experiments and optimization for a hybrid excitation machine" and published in IEMDC, Miami, USA (2009). The present invention provides synchronous rotating electrical machines with double excitation with a rotor topology of the type disclosed in the above article and whose design has been optimized to increase the performance and interest of these machines for automobile industry.
Selon un premier aspect, la présente invention concerne une machine électrique tournante à double excitation comprenant un stator muni de bobinages statoriques et un rotor comprenant une pluralité de pôles Nord et pôles Sud alternés qui sont formés à partir d'une pluralité d'aimants permanents et d'une pluralité de bobines d'excitation. Les aimants permanents sont logés dans des premiers évidements respectifs se prolongeant axialement et répartis régulièrement dans une partie circonférentielle de la masse magnétique du rotor de manière à définir une pluralité de sections polaires circonférentielles. Les bobines d'excitation sont logées dans des seconds évidements respectifs se prolongeant axialement et répartis régulièrement dans une partie intermédiaire de la masse magnétique du rotor, la partie intermédiaire étant située entre la partie circonférentielle et une partie centrale du rotor. Chaque bobine d'excitation est insérée dans une dent polaire radiale respective formant cloison entre deux seconds évidements consécutifs, chaque dent polaire étant sensiblement alignée sur un axe radial central du pôle correspondant. Conformément à l'invention, au moins une section polaire circonférentielle comprend un troisième évidement sensiblement aligné sur l'axe radial central et ayant une largeur maximum au niveau d'un sommet de celui-ci et une largeur minimum au niveau d'un pied de celui-ci, le pied étant l'extrémité du troisième évidement la plus proche d'une partie centrale du rotor, et la dent polaire a une largeur comprise entre environ 2 mm et environ 10 mm et la largeur maximum du troisième évidement a une valeur comprise entre environ 0,13 mm et environ 0,44 mm. De préférence, pour l'obtention de l'effet combiné d'une augmentation du couple et d'une réduction According to a first aspect, the present invention relates to a dual excitation electrical rotating machine comprising a stator provided with stator windings and a rotor comprising a plurality of alternating north poles and south poles which are formed from a plurality of permanent magnets and a plurality of excitation coils. The permanent magnets are housed in respective first recessions extending axially and regularly distributed in a circumferential portion of the magnetic mass of the rotor so as to define a plurality of circumferential pole sections. The excitation coils are housed in respective second recessions extending axially and regularly distributed in an intermediate portion of the magnetic mass of the rotor, the intermediate portion being located between the circumferential portion and a central portion of the rotor. Each excitation coil is inserted into a respective radial pole tooth forming a partition between two consecutive second recesses, each pole tooth being substantially aligned on a central radial axis of the corresponding pole. According to the invention, at least one circumferential pole section comprises a third recess substantially aligned with the central radial axis and having a maximum width at a vertex thereof and a minimum width at a foot of it, the foot being the end of the third recess closest to a central portion of the rotor, and the pole tooth has a width of between about 2 mm and about 10 mm and the maximum width of the third recess has a value from about 0.13 mm to about 0.44 mm. Preferably, for obtaining the combined effect of an increase in torque and a reduction
de l'inertie, la dent polaire radiale a une largeur comprise entre environ 4 mm et environ 6,5 mm et la largeur maximum du troisième l'évidement a une valeur comprise entre environ 0,22 mm et environ 0,29 mm. Selon une autre caractéristique particulière de l'invention, la largeur minimum du troisième évidement est comprise entre environ 0,8 fois une largeur d'entrefer minimum de la machine et environ 1,2 fois la largeur d'entrefer minimum. Selon encore une autre caractéristique particulière de l'invention, la section polaire circonférentielle comprenant le troisième évidement comprend, entre le sommet du troisième évidement et une face polaire extérieure, une portion de masse magnétique 15 formant pont ayant une hauteur comprise entre environ 0,7 mm et environ 2 mm. Selon une forme de réalisation particulière de l'invention, le troisième évidement se prolonge dans la dent polaire. Par exemple, le troisième évidement peut 20 se prolonger sensiblement sur toute la hauteur de la dent polaire. Le troisième évidement pourra avantageusement être réalisé sous une forme évasée Selon encore une autre caractéristique particulière de l'invention, un rapport de la largeur de 25 dent polaire sur la hauteur d'aimant permanent est compris entre environ 0,65 et environ 1. La machine électrique tournante selon l'invention peut avantageusement être réalisée sous la forme d'un moteur électrique, d'une génératrice ou d'un moteur/ 30 génératrice pour véhicule automobile. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description suivante de plusieurs formes de réalisation particulières, en référence aux figures ci-dessous, dans 35 lesquelles : 10 inertia, the radial pole tooth has a width of between about 4 mm and about 6.5 mm and the maximum width of the third recess has a value between about 0.22 mm and about 0.29 mm. According to another particular characteristic of the invention, the minimum width of the third recess is between about 0.8 times a minimum gap width of the machine and about 1.2 times the minimum gap width. According to yet another particular feature of the invention, the circumferential pole section comprising the third recess comprises, between the apex of the third recess and an outer pole face, a portion of magnetic bridge mass having a height of between about 0.7. mm and about 2 mm. According to a particular embodiment of the invention, the third recess extends in the polar tooth. For example, the third recess may extend substantially the full height of the pole tooth. The third recess can advantageously be made in a flared shape. According to yet another particular characteristic of the invention, a ratio of the polar tooth width to the permanent magnet height is between about 0.65 and about 1. The The rotary electric machine according to the invention can advantageously be embodied in the form of an electric motor, a generator or an engine / generator for a motor vehicle. Other features and advantages of the invention will be apparent from the following description of several particular embodiments, with reference to the figures below, in which:
- la Fig.1 est une vue en coupe montrant, de manière simplifiée, la structure d'une forme de réalisation particulière d'une machine électrique tournante à double excitation selon l'invention; - les Figs.2A et 2B sont des vues partielles en coupe du rotor de la machine montrant le fonctionnement de la double excitation; - les Figs.3A et 3B sont des vues partielles en coupe du rotor de la machine montrant des première et seconde formes de réalisation d'un évidement de forme sensiblement évasée réalisé dans une partie circonférentielle de la masse magnétique du rotor; - la Fig.4 montre des courbes de couple C et d'inertie I en fonction d'une largeur maximum Lh d'évidement et d'une largeur Ln de dent polaire; - la Fig.5 est une vue partielle en coupe du rotor de la machine dans laquelle sont définies la largeur Ln des dents polaires et une hauteur Hm des aimants permanents ; et - la Fig.6 est une courbe de puissance de la machine en fonction d'un rapport Ln/Hm de la largeur de dent polaire sur la hauteur d'aimant permanent. La Fig.1 montre la structure d'une forme de réalisation particulière 1 d'une machine électrique tournante à double excitation selon l'invention qui comprend un stator 10 et un rotor 11. Le rotor 11 de la machine 1 comprend une pluralité de pôles saillants, Nord et Sud alternés, qui sont formés à partir d'une pluralité d'aimants permanents PM et d'une pluralité de bobines d'excitation EC. Une réalisation concrète d'une telle machine selon l'invention est par exemple un moteur/génératrice de 8 à 10 KW pour des applications dans des véhicules automobiles du type dits «mild-hybrid». Dans son mode de fonctionnement en moteur, une telle machine peut être - Fig.1 is a sectional view showing, in a simplified manner, the structure of a particular embodiment of a rotary electric machine with double excitation according to the invention; - Figs.2A and 2B are partial sectional views of the rotor of the machine showing the operation of the double excitation; - Figs.3A and 3B are partial sectional views of the rotor of the machine showing first and second embodiments of a substantially flared shaped recess formed in a circumferential portion of the magnetic mass of the rotor; FIG. 4 shows curves of torque C and of inertia I as a function of a maximum width Lh of recess and a width Ln of polar tooth; - Fig.5 is a partial sectional view of the rotor of the machine in which are defined the width Ln of the pole teeth and a height Hm of the permanent magnets; and Fig. 6 is a power curve of the machine as a function of a ratio Ln / Hm of the pole tooth width to the permanent magnet height. FIG. 1 shows the structure of a particular embodiment 1 of a rotary electric machine with double excitation according to the invention which comprises a stator 10 and a rotor 11. The rotor 11 of the machine 1 comprises a plurality of poles projectors, alternating north and south, which are formed from a plurality of PM permanent magnets and a plurality of EC excitation coils. A concrete embodiment of such a machine according to the invention is for example a motor / generator of 8 to 10 KW for applications in motor vehicles of the type called "mild-hybrid". In its motor mode of operation, such a machine can be
conçue pour le démarrage du moteur thermique, l'assistance en couple du moteur thermique ainsi que pour la traction électrique à faible vitesse du véhicule. Dans son mode de fonctionnement en génératrice, la machine peut fonctionner dans un mode alternateur normal ou dans un mode de freinage récupératif. Une forme de réalisation particulière de cette machine comprend un stator 10 ayant 72 encoches 101 et un rotor 11 comportant 12 pôles Nord et Sud alternés. Le rotor 11 a un diamètre de l'ordre 100 mm et une longueur axiale de l'ordre de 50 mm. Le rotor 11 comporte 12 aimants permanents PM ayant une forme sensiblement rectangulaire et pour dimensions : longueur x hauteur x largeur = 50 mm x 5 mm x 6 mm. Le stator 10 et le rotor 11 sont réalisés de manière classique avec des paquets de tôles métalliques formant des masses magnétiques. Les encoches 101 du stator 10 sont prévues pour recevoir des bobinages statoriques (non représentés) et forment entre elles une pluralité de dents statoriques. Selon les formes de réalisation, les encoches 101 seront prévues pour loger des bobinages concentrés, bobinés sur des grosses dents, ou bien des bobinages distribués. designed for the starting of the engine, the torque assist of the engine as well as for the low-speed electrical traction of the vehicle. In its generator mode, the machine can operate in a normal alternator mode or in a regenerative braking mode. A particular embodiment of this machine comprises a stator 10 having 72 notches 101 and a rotor 11 having 12 alternating north and south poles. The rotor 11 has a diameter of about 100 mm and an axial length of about 50 mm. The rotor 11 comprises 12 PM permanent magnets having a substantially rectangular shape and for dimensions: length x height x width = 50 mm × 5 mm × 6 mm. The stator 10 and the rotor 11 are made conventionally with packets of metal sheets forming magnetic masses. The notches 101 of the stator 10 are provided to receive stator windings (not shown) and form between them a plurality of stator teeth. According to the embodiments, the notches 101 will be provided to house concentrated windings, wound on large teeth, or distributed windings.
Le rotor 11 a la forme générale d'un cylindre multilobé, chacun des lobes correspondant à un pôle magnétique du rotor. Les aimants PM sont disposés de manière enterrée dans la partie circonférentielle du rotor 11 et se prolongent axialement sur toute la longueur du rotor 11. Les aimants PM sont logés dans des évidements El respectifs et sont répartis dans la partie circonférentielle du rotor 11 de telle manière que deux aimants PM consécutifs, dans le sens de la circonférence, sont disposés avec des orientations polaires différentes, comme cela apparaît à la Fig.l. Par The rotor 11 has the general shape of a multilobed cylinder, each of the lobes corresponding to a magnetic pole of the rotor. The magnets PM are disposed buried in the circumferential portion of the rotor 11 and extend axially over the entire length of the rotor 11. The magnets PM are housed in respective recesses E1 and are distributed in the circumferential portion of the rotor 11 in such a manner that two consecutive PM magnets, in the circumferential direction, are arranged with different polar orientations, as appears in FIG. By
exemple, si PM1 et PM2 sont des aimants consécutifs, les orientations polaires respectives pourront être N-S et S-N ou bien S-N et N-S, toujours dans un même sens circonférentiel. For example, if PM1 and PM2 are consecutive magnets, the respective polar orientations may be N-S and S-N or else S-N and N-S, always in the same circumferential direction.
Les aimants PM sont de préférence des aimants permanents comprenant des terres rares tels que des aimants de type Néodyme-Fer-Bore (NeFeB), Samarium-Fer (SmFe), Samarium-Cobalt (SmCo) ou bien des aimants obtenus à partir de ferrites frittés ou liés. PM magnets are preferably permanent magnets comprising rare earths such as Neodymium-Iron-Boron (NeFeB), Samarium-Iron (SmFe), Samarium-Cobalt (SmCo) magnets or magnets obtained from ferrites. sintered or bound.
Le rotor 11 comprend un alésage central débouchant à ses deux extrémités faciales et destiné à recevoir son arbre d'entraînement A. On notera que dans la présente invention l'arbre A pourra être réalisé dans un matériau magnétique. Outre les évidements El contenant les aimants PM, le rotor 11 comprend également des évidements E2 et E3 qui se répètent pour chaque pôle et s'étendent axialement sur sensiblement toute la longueur du rotor. Les évidements E2 sont prévus pour loger des bobines d'excitation EC dans le rotor 11. Les évidements E2 sont situés sous les aimants PM, avec autant d'évidement E2 que d'aimants PM. Deux évidements E2 consécutifs sont séparés par une cloison radiale formant dent polaire RT autour de laquelle est enroulée une bobine d'excitation EC correspondante. Les bobines d'excitation EC peuvent être reliées électriquement selon des montages série, parallèle ou série/parallèle. Les évidements E3 remplissent plusieurs fonctions. De manière générale, ils ont essentiellement pour fonction de contribuer au contrôle du flux magnétique et de réduire l'inertie du rotor. Selon les applications, les évidements E3 devront être optimisés par des simulations sur les lignes de champ magnétique de manière à trouver le meilleur compromis possible entre une inertie minimale du rotor et un couple mécanique maximal délivré par la machine en mode moteur. Les évidements E3 pourront également être optimisés The rotor 11 comprises a central bore opening at its two end faces and intended to receive its drive shaft A. It will be noted that in the present invention the shaft A may be made of a magnetic material. In addition to the recesses E1 containing the magnets PM, the rotor 11 also comprises recesses E2 and E3 which are repeated for each pole and extend axially over substantially the entire length of the rotor. The recesses E2 are provided for accommodating excitation coils EC in the rotor 11. The recesses E2 are located under the magnets PM, with as much recess E2 as magnets PM. Two consecutive recesses E2 are separated by a radial polar tooth partition RT around which is wound a corresponding EC excitation coil. The excitation coils EC can be electrically connected in series, parallel or series / parallel assemblies. The E3 recesses fulfill several functions. In general, their main function is to contribute to the control of the magnetic flux and to reduce the inertia of the rotor. Depending on the application, the E3 recesses will have to be optimized by simulations on magnetic field lines in order to find the best possible compromise between a minimum rotor inertia and a maximum mechanical torque delivered by the machine in motor mode. E3 recesses can also be optimized
de manière à améliorer le comportement de la machine vis-à-vis de la réaction magnétique d'induit. On notera que certains évidements E2 pourront avantageusement être utilisés pour des tirants d'assemblage du rotor 11. Dans cette forme de réalisation, les évidements E3 contiennent de l'air. Dans certaines applications, ils pourront être remplis avec des matériaux amagnétiques, voire magnétiques mais avec une faible densité. Les évidements E3 sont aménagés ici de manière sensiblement radiale dans le rotor 11, entre deux aimants PM consécutifs et alignés sur un axe radial central du pôle, axe désigné conventionnellement « axe q ». En référence aux Figs.2A et 2B, le fonctionnement de la double excitation au niveau d'un pôle du rotor 11 est maintenant décrit, sachant que ce fonctionnement est identique pour tous les pôles du rotor 11. La Fig.2A montre le cas où la bobine d'excitation EC n'est pas excitée, ce qui signifie qu'elle n'est traversée par aucun courant d'excitation. Comme montré à la Fig.2A, des flux magnétiques F1 générés par les aimants permanents PM bouclent alors à travers la masse magnétique du rotor 11. La réluctance des circuits magnétiques du rotor 11 doit bien entendu être déterminée de manière à éviter toute démagnétisation des aimants permanents PM. Dans ce mode de fonctionnement, compte tenu que les flux magnétiques F1 ne traversent pas le stator 10, il en découle qu'aucune force électromotrice (f.e.m) n'est produite dans les bobinages statoriques. in order to improve the behavior of the machine vis-à-vis the armature magnetic reaction. It will be noted that certain recesses E2 may advantageously be used for assembly tie rods of the rotor 11. In this embodiment, the recesses E3 contain air. In some applications, they may be filled with non-magnetic materials, even magnetic but with low density. The recesses E3 are arranged here substantially radially in the rotor 11, between two consecutive PM magnets and aligned on a central radial axis of the pole, axis designated conventionally "axis q". Referring to Figs.2A and 2B, the operation of the double excitation at a pole of the rotor 11 is now described, knowing that this operation is identical for all the poles of the rotor 11. Fig.2A shows the case where the excitation coil EC is not excited, which means that it is not traversed by any excitation current. As shown in FIG. 2A, magnetic flux F1 generated by the permanent magnets PM then loop through the magnetic mass of the rotor 11. The reluctance of the magnetic circuits of the rotor 11 must of course be determined so as to avoid any demagnetization of the magnets. permanent PM. In this mode of operation, given that the magnetic flux F1 does not pass through the stator 10, it follows that no electromotive force (f.e.m) is produced in the stator windings.
La Fig.2B montre le cas où la bobine d'excitation EC est excitée, ce qui signifie qu'elle est traversée par un courant d'excitation. La représentation schématique de la Fig.2B correspond au cas où le courant d'excitation traversant la bobine EC a une intensité telle que les flux magnétiques générés par les aimants PM sont contraints en Fig.2B shows the case where the excitation coil EC is excited, which means that it is traversed by an excitation current. The schematic representation of FIG. 2B corresponds to the case where the excitation current passing through the coil EC has an intensity such that the magnetic fluxes generated by the magnets PM are constrained by
totalité à circuler à travers le stator 10 (flux magnétiques F1'). Le courant d'excitation traversant la bobine EC provoque l'apparition d'un flux magnétique supplémentaire au niveau de la dent polaire RT correspondante. Ce flux supplémentaire se subdivise en deux parties F21 et F22 qui passent de part et d'autre de l'évidement E3 et circulent ensuite dans le stator 10. Comme cela apparaît à la Fig.2B, le bouclage des flux F21 et F22 vers la dent polaire RT concernée se fait à travers les dents polaires RT voisines, situées de part et d'autre de celle concernée. En référence aux Figs.3A et 3B, l'évidement E3 est maintenant décrit de manière plus détaillé. Comme cela apparaît dans les Figs.3A et 3B, dans cette forme de réalisation, l'évidement E3 a une forme sensiblement évasée. La partie évasée est située dans la partie circonférentielle du rotor 11. Bien entendu, des formes autres que cette forme évasée sont possibles pour l'évidement E3 et restent dans la portée de la présente invention, la forme évasée décrite ici n'étant donnée qu'à titre d'exemple de réalisation. Les paramètres ci-dessous doivent être pris en compte pour définir l'évidement E3, à savoir : - Lb qui est la largeur minimum de l'évidement E3 au niveau d'un pied de celui-ci; - Hp qui est la hauteur de tôle restante entre le sommet de l'évidement E3 et la face extérieure du pôle correspondant, hauteur Hp désignée « hauteur de pont » ci-dessous; - Pe qui est la profondeur de l'évidement E3; - Lh qui est la largeur maximum de l'évidement E3 au niveau d'un sommet de celui-ci; et - Ln qui est la largeur de la dent polaire RT. Les simulations et essais effectués par l'entité inventive ont montré que le paramètre de largeur minimum 35 d'évidement Lb doit être déterminé en fonction de la largeur all to flow through the stator 10 (magnetic flux F1 '). The excitation current flowing through the coil EC causes the appearance of an additional magnetic flux at the corresponding polar tooth RT. This additional flow is subdivided into two parts F21 and F22 which pass on either side of the recess E3 and then circulate in the stator 10. As appears in FIG. 2B, the looping of the flows F21 and F22 towards the Polar tooth RT concerned is through the neighboring RT pole teeth, located on both sides of the concerned one. Referring to Figs.3A and 3B, the recess E3 is now described in more detail. As shown in Figs.3A and 3B, in this embodiment, the recess E3 has a substantially flared shape. The flared portion is located in the circumferential portion of the rotor 11. Of course, shapes other than this flared shape are possible for the recess E3 and remain within the scope of the present invention, the flared shape described herein being given only as an exemplary embodiment. The following parameters must be taken into account to define the recess E3, namely: Lb, which is the minimum width of the recess E3 at one foot thereof; - Hp which is the height of sheet remaining between the top of the recess E3 and the outer face of the corresponding pole, height Hp referred to as "bridge height" below; - Pe which is the depth of the recess E3; Lh which is the maximum width of the recess E3 at a vertex thereof; and - Ln which is the width of the polar tooth RT. The simulations and tests carried out by the inventive entity have shown that the minimum recess width parameter Lb must be determined according to the width
d'entrefer entre le rotor 11 et le stator 10. Dans les formes de réalisation décrites ici, l'entrefer entre le rotor 11 et le stator 10 est variable du fait de la structure multi-lobée du rotor 11. La largeur d'entrefer e (montrée à la Fig.3A) est la largeur minimale de l'entrefer, c'est-à-dire, la largeur d'entrefer au niveau de l'axe q. On notera ici que la variabilité de l'entrefer contribue à une réduction des harmoniques et donc des pertes fer. L'entité inventive a mis en évidence que la largeur minimum d'évidement Lb doit rester sensiblement équivalente à la largeur d'entrefer e. En effet, une largeur Lb trop élevée conduit à une saturation magnétique du pôle et, consécutivement, à une réduction du couple mécanique. De préférence, la largeur minimum d'évidement Lb doit être comprise entre environ 0,8 fois la largeur d'entrefer e (0,8 x e) et environ 1,2 fois la largeur d'entrefer e (1,2 x e). La hauteur de pont Hp doit être minimisée pour obtenir une saturation magnétique qui, en faisant obstacle au flux magnétique suivant l'axe q, entraîne une augmentation du couple. La réduction de la hauteur Hp est également favorable à une réduction sensible de l'inertie. Compte-tenu que l'inertie est proportionnelle au carré du rayon, tout retrait de masse le plus loin possible du centre du rotor est très favorable à la réduction de l'inertie. Cependant, cette hauteur de pont Hp doit être dimensionnée de telle manière que le pont puisse résister aux contraintes mécaniques auxquelles est soumis le rotor, notamment la force centrifuge. La hauteur de pont Hp ne peut donc être inférieure à une valeur minimale qui est imposée par ces contraintes mécaniques. Les essais réalisés par l'entité inventive ont montrés qu'une largeur de pont Hp comprise entre environ 0,7 mm et environ 2 mm est un bon compromis. Concernant la profondeur Pe de l'évidement E3, les Figs.3A et 3B montrent deux formes de réalisation possible. between the rotor 11 and the stator 10. In the embodiments described here, the gap between the rotor 11 and the stator 10 is variable due to the multi-lobed structure of the rotor 11. The gap width e (shown in Fig.3A) is the minimum width of the gap, that is to say, the gap width at the axis q. It should be noted here that the variability of the air gap contributes to a reduction of harmonics and therefore iron losses. The inventive entity has demonstrated that the minimum recess width Lb must remain substantially equivalent to the gap width e. In fact, a width Lb that is too high leads to a magnetic saturation of the pole and, consequently, to a reduction in the mechanical torque. Preferably, the minimum recess width Lb should be between about 0.8 times the gap width e (0.8 x e) and about 1.2 times the gap width e (1.2 x e). The bridge height Hp must be minimized to obtain a magnetic saturation which, by blocking the magnetic flux along the axis q, causes an increase in the torque. The reduction of the height Hp is also favorable to a significant reduction of the inertia. Given that the inertia is proportional to the square of the radius, any withdrawal of mass as far as possible from the center of the rotor is very favorable to the reduction of inertia. However, this bridge height Hp must be dimensioned in such a way that the bridge can withstand the mechanical stresses to which the rotor is subjected, in particular the centrifugal force. The bridge height Hp can not be less than a minimum value that is imposed by these mechanical stresses. The tests performed by the inventive entity have shown that a bridge width Hp of between about 0.7 mm and about 2 mm is a good compromise. Concerning the depth Pe of the recess E3, Figs. 3A and 3B show two possible embodiments.
Dans la forme de réalisation de la Fig.3A, le bas du pied de l'évidement E3 se situe au niveau d'un coin arrondi haut CAh de l'évidement E2. Dans certaines applications, des zones de saturation ZS1 entre le bas du pied de l'évidement E3 et le coin arrondi haut CAh de l'évidement E2 pourront être dimmensionnées de manière à contrôler le flux magnétique. Dans la forme de réalisation de la Fig.3B, l'évidement E3 se prolonge sensiblement sur toute la hauteur de la dent polaire RT. Le bas du pied de l'évidement E3 se situe au niveau d'un coin arrondi bas CAb de l'évidement E2. De manière analogue à la forme de réalisation de la Fig.3A, des zones de saturation ZS2 entre le bas du pied de l'évidement E3 et le coin arrondi haut CAb de l'évidement E2 pourront être dimmensionnées afin de contrôler le flux magnétique. On notera ici que la largeur Ln' de la dent polaire RT sera plus importante que celle Ln de la forme de réalisation de la Fig.3A afin de conserver la même largeur de masse magnétique pour la dent RT. In the embodiment of Fig.3A, the bottom of the foot of the recess E3 is at a high rounded corner CAh of the recess E2. In some applications, saturation zones ZS1 between the bottom of the foot of the recess E3 and the rounded high corner CAh of the recess E2 may be dimmensionées so as to control the magnetic flux. In the embodiment of Fig.3B, the recess E3 extends substantially over the entire height of the pole tooth RT. The bottom of the foot of the recess E3 is at a low rounded corner CAb of the recess E2. In a similar manner to the embodiment of FIG. 3A, saturation zones ZS2 between the bottom of the foot of the recess E3 and the rounded high corner CAb of the recess E2 can be dimmensioned in order to control the magnetic flux. It will be noted here that the width Ln 'of the polar tooth RT will be greater than that Ln of the embodiment of FIG. 3A in order to maintain the same magnetic mass width for the tooth RT.
Conformément à l'invention, la largeur maximum Lh de l'évidement E3 est dimensionnée en fonction de Ln qui est la largeur de la dent polaire RT, de telle manière à optimiser le compromis inertie / couple. A la Fig.4, il est montré des courbes de couple C et d'inertie I en fonction de la largeur maximum d'évidement Lh et de la largeur Ln de la dent polaire RT. La courbe de couple est représentée avec des points en forme de carré. La courbe d'inertie est représentée avec des points en forme de losange. According to the invention, the maximum width Lh of the recess E3 is dimensioned as a function of Ln which is the width of the polar tooth RT, so as to optimize the compromise between inertia and torque. In FIG. 4, curves of torque C and of inertia I are shown as a function of the maximum recess width Lh and the width Ln of the polar tooth RT. The torque curve is represented with square shaped dots. The inertia curve is represented with diamond-shaped dots.
De l'étude de ces courbes, il ressort qu'un bon compromis entre l'inertie et le couple peut être trouvé pour des valeurs de Ln et Lh comprises entre environ 2 et environ 10 mm et entre environ 0,13 et environ 0,44 mm, respectivement. On notera que pour des valeurs de Ln et Lh comprises respectivement entre 4 et 6,5 mm et 0,22 et 0, 29, From the study of these curves, it appears that a good compromise between inertia and torque can be found for Ln and Lh values of between about 2 and about 10 mm and between about 0.13 and about 0, 44 mm, respectively. It will be noted that for values of Ln and Lh comprised respectively between 4 and 6.5 mm and 0.22 and 0.29,
il est possible à la fois de réduire l'inertie et d'augmenter le couple. Compte tenu de l'enseignement apporté ci-dessus par l'entité inventive, l'homme du métier choisira dans les intervalles données les valeurs (Ln, Lb) les mieux adaptées à l'application envisagée. En référence aux Figs.6 et 7, il est maintenant traité d'une optimisation proposée par l'entité inventive du rapport entre la largeur Ln des dents polaires RT et la hauteur Hm des aimants permanents PM. Les essais et simulation réalisés par l'entité inventive ont montré qu'il s'agit là d'un point critique dans le dimensionnement de la machine, qui a une influence sensible sur la puissance de celle-ci. Un compromis doit être trouvé entre le pourcentage de flux magnétique produit par les aimants permanents et celui produit par le bobinage d'excitation, en d'autres termes, entre les aimants permanents et la quantité du cuivre intégré dans le rotor. Le paramètre Hm est ici représentatif du flux magnétique produit par les aimants. Le paramètre Ln est lié à la quantité de cuivre dans le rotor et donc au flux magnétique produit par la bobine d'excitation. En effet, selon la largeur Ln des dents polaires, il sera possible d'inclure plus ou moins de cuivre dans les évidements E2. De plus, la largeur Ln est à dimensionner avec soins de manière à éviter, d'une part, une sollicitation insuffisance de la masse magnétique de la dent polaire RT avec un point de fonctionnement du circuit magnétique qui est trop éloigné de la saturation magnétique et, d'autre part, une saturation excessive de la masse magnétique de la dent polaire RT qui limiterait le passage du flux magnétique généré par la bobine d'excitation. La courbe de la Fig.7, relevée par l'entité inventive, donne la puissance P de la machine en fonction de la valeur du rapport Ln/Hm. Un rapport Ln/Hm compris entre environ 0,65 et environ 1 s'avère être un bon compromis et garantit les performances de la machine. it is possible both to reduce the inertia and increase the torque. Given the above teaching by the inventive entity, the skilled person will choose in the given intervals the values (Ln, Lb) best suited to the intended application. Referring to Figs.6 and 7, it is now discussed an optimization proposed by the inventive entity of the ratio between the width Ln of the pole teeth RT and the height Hm of the permanent magnets PM. The tests and simulation performed by the inventive entity have shown that this is a critical point in the design of the machine, which has a significant influence on the power of the latter. A compromise must be found between the percentage of magnetic flux produced by the permanent magnets and that produced by the excitation winding, in other words, between the permanent magnets and the amount of copper integrated in the rotor. The parameter Hm is here representative of the magnetic flux produced by the magnets. The parameter Ln is related to the quantity of copper in the rotor and therefore to the magnetic flux produced by the excitation coil. Indeed, according to the width Ln of the pole teeth, it will be possible to include more or less copper in the recesses E2. In addition, the width Ln is to be dimensioned carefully so as to avoid, on the one hand, insufficient solicitation of the magnetic mass of the polar tooth RT with an operating point of the magnetic circuit which is too far from the magnetic saturation and on the other hand, excessive saturation of the magnetic mass of the polar tooth RT which would limit the passage of the magnetic flux generated by the excitation coil. The curve of FIG. 7, taken up by the inventive entity, gives the power P of the machine as a function of the value of the ratio Ln / Hm. An Ln / Hm ratio of between approximately 0.65 and approximately 1 proves to be a good compromise and guarantees the machine's performance.
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